金沙江干熱河谷區不同土地利用方式下的土壤特性分異特征*

鄭郁,李占斌,李鵬,穆軍

(西安理工大學西北水資源與環境生態教育部重點實驗室,西安710048)

金沙江干熱河谷是我國西南橫斷山區河谷深切后形成的一種特有的地理和氣候類型,屬于干旱河谷的一種亞類型,該地區氣候干旱,水熱極度不平衡,自然植被為典型的熱帶稀樹灌叢草被景觀。但是由于歷史上的采薪煉銅和現代的陡坡墾植以及對自然資源不合理的開發利用,特別是近年來,該區域逐步成為我國水電開發的重要基地,導致近年來該區在自然因素和人為因素影響下區域生態功能明顯退化,成為我國生態環境脆弱地區之一[1-3]。

目前圍繞干熱河谷的植被恢復問題,科研工作者開展了大量的研究工作,結果表明人類活動導致了土壤退化、沙化、荒漠化[4-6],而植被恢復可以部分改善生態環境,并提出了許多相應的植被恢復措施[7-10],然而由于本區域的特殊自然條件,生態恢復難度很大,取得大面積植被恢復成功的例子并不多見。選擇合適的樹種是植被恢復成敗的關鍵因素之一,不同的研究者從植被生理生態、經濟和社會效應上提出了不同的植被配置方式[11-15]。但是從土壤角度探討不同植被配置下的恢復效應研究相對較少[16-17],因此以四川寧南縣金沙江下游的河谷地帶為研究區域,選擇相同海拔下的7種主要的植被類型為研究對象,分析土壤理化性質的分異特征,旨在探討該地區較為合理的植被恢復類型,為該區域的植被恢復效果和山川秀美工程建設提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 自然概況

研究區選擇在寧南縣城以東金沙江下游的河谷地帶。位于東經 102°54′-103°02′,北緯 26°54′-27°09′,年均氣溫 20～27℃,≥10℃年積溫 7 000～8 000℃,年日照時數2 179～2 736 h,為多日照區;年降水量600～800 mm,年蒸發量為年降水量的3～6倍;干濕季分明,干季蒸發量可達降水量的20倍以上,土壤水分嚴重缺失,相對持水量和有效水分保證率較低,土壤類型以抗蒸發能力弱的燥紅土為主,還含有褐紅壤、赤紅壤、紫色土等,主要植被以干熱河谷灌叢和稀樹灌木草叢為主,其中草本植物的代表有:扭黃茅(Heteropogoncontortus P.Beauv)、香茅(Cymbogon distens)、龍須草(Eulaliopsis binata Hubbard)等;灌木:車桑子(Dodonaeoan gusti folia)、余甘子(Phyllanthus emblica L)、仙人掌(Opuntia monacantha Haw)、番石榴(Psidium guajava Linn)等;喬木:攀枝花(Bombax ceiba L)、新銀合歡(Leucaena leucocephala(Lam.)de Wit cv.“Salvador”)、刺槐(Robinia pseudo-acacia L)等。

1.2 樣品采集及分析

在2008年4月中旬,通過野外植被調查和詢問當地老農民,在研究區選擇處于同一海拔的合歡林地、玉米地、桑地、甘蔗地、花椒地和撂荒草地6種不同土地利用方式為研究對象,并以天然水桐樹林為對照樣地,來作為該區域土地利用方式改變前的初始狀態(表1)。為了盡可能消除地形、季節和人類活動等因素對土壤特性的影響,所選取的樣地確保是在相同海拔、坡位坡度相似的迎風坡面。每個樣點按S型選取7個樣點,挖取0-20 cm深度的土壤樣品,充分混合均勻后用四分法取出適量備用,每個樣點重復三次。采集的土樣剔除可見的動、植物殘體和石塊并風干后帶回實驗室,過0.25 mm和1 mm篩儲存,用于分析測量土壤理化性質。土壤容重采用環刀法;有機碳(TOC)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定,全氮(TN,total N)采用半微量凱氏法測定,采用pH計測pH值(水∶土=2.5∶1),土壤全磷(TP)采用硫酸-高氯酸鉬銻抗比色法測定(島津2401-紫外可見分光光度計,日本產),速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法測定[18]。利用主成分分析因子負荷量計算各屬性因子作用的大小,確定它們的權重,并采用加權和法計算土壤綜合屬性指數。

表1 樣地基本特征

1.3 數據統計分析

數據為3個重復的平均值,采用SAS 6.12軟件中的單因素方差分析(ANOVA)方法分析差異顯著性,相關分析也采用SAS 6.12軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下的土壤容重分異特征

土壤容重的數值大小,受質地、結構性和松緊度等的影響而變化[19],與土壤結構關系密切,反映土壤結構性和通透性。結果表明(圖1),不同土地利用方式下土壤容重沒有顯著差異,據此可知相對于天然水桐樹林,人為活動造成的土地利用方式的改變并沒有顯著影響土壤結構和通氣性。

2.2 不同土地利用方式下的土壤有機碳分異特征

土壤有機質是土壤肥力的基礎,同時也是N、P、S等植物必需營養元素的物質載體[20],是土壤系統的基礎物質,影響土壤的物理、化學性質,并通過所提供的C、N源控制微生物活性,從而在土壤肥力中發揮著重要的作用,良好的土壤物理、化學和生物學性質以及土壤的生產力都與土壤有機質含量和特性密切相關[19]。

如圖2所示,當天然林破壞后改造為其它土地利用方式,土壤有機質含量顯著降低,其中玉米地、桑地、甘蔗地和花椒地沒有顯著差異,含量最低,分別僅為天然水桐樹林的26.7%～28.1%,其次是草地,為后者的43.9%,合歡林含量在改造后的土地利用方式中含量最高,為61.9%?？梢钥闯?在該地區,天然林破壞后導致了土壤有機質含量的極度降低,其中人為干擾最重的幾種土地利用類型有機質含量降幅最大,干擾較輕的合歡林和草地降幅則相對較小,從而證明了人為活動是造成土壤有機質流失的主要原因。

圖1 不同土地利用方式下土壤容重變化

圖2 不同土地利用方式下土壤有機質變化

2.3 不同土地利用方式下的土壤全氮和全磷分異特征

氮素是一般植物需要較多的一個必需營養元素,其主要是依靠土壤供給。天然水桐樹林破壞后土壤全氮含量變化規律和有機質規律相似(圖3),分別僅為天然林的18.9%～50.0%,含量從高到低依次為合歡林地＞草地＞玉米地、花椒地＞桑地、甘蔗地?？芍祟惢顒訉е铝讼蛲寥乐休斔偷奈镔|減少是土壤氮素降低的主要因素之一。磷是植物必需的三大營養元素之一,土壤全磷直接影響著土壤的供磷能力,天然水桐樹林破壞后,土壤全磷含量除草地外均顯著降低,降幅分別為39.6%～58.4%(圖4),其中合歡林、玉米地、桑地、甘蔗地和花椒地之間沒有顯著差異。土壤全磷含量主要受母質中礦物成分、土壤質地、剖面層次及耕作管理措施等因素影響,當人為活動造成磷素淋溶的同時,又不能增加土壤磷素的供給,勢必導致該地區土壤全磷含量的降低。

2.4 不同土地利用方式下的土壤速效氮、磷、鉀含量分異特征

土壤速效氮、磷、鉀屬于土壤中較易礦化的組分,表示在較短的時間內可以為植物所利用的土壤供肥能力。天然水桐樹林改為其它土地利用方式后,土壤堿解氮含量顯著降低(圖5),降幅分別為11.2%～63.9%,其中合歡林降幅最小,其余5種利用方式沒有顯著差異;速效磷含量僅桑地和花椒地顯著低于天然水桐樹林(圖 6),分別為后者的47.6%和50.0%,其余4種利用方式均沒有顯著差異;速效鉀含量在改造后較水桐樹林均有不同程度增加(圖7),增幅分別為7.2%～106.2%,其中合歡林和玉米地增幅達到顯著水平。可以看出,不同土地利用方式對速效養分各組分的影響不一,這不僅和人類干擾有關,還和植被的生理生態屬性有關。

2.5 不同土地利用方式下土壤綜合屬性指數分異

為了克服各屬性在反映土地利用方式下土壤屬性分異特征的片面性,采用土壤綜合屬性指數作為土壤因子的綜合作用表征,從而客觀、全面地反映土壤屬性的變化過程。如圖8所示,天然水桐樹林改為其它土地利用方式后,土壤屬性指數呈現不同程度的降低,降幅分別為7.8%～93.0%,草地的降幅最低,僅為7.8%,其次依次為合歡林地、甘蔗地,桑地和花椒地降幅最大。天然林由于人為活動的減少,該生態系統基本處于封閉狀態,沒有物質輸出,大量的枯枝落葉被歸還到土壤中,因此土壤質量較高;隨著天然林的破壞,特別是不合理的人為活動,導致水土流失加劇,生態系統由封閉狀態轉變為開放狀態,物質元素不能有效地歸還到土壤中,造成土壤質量的降低,而相對于玉米地、桑地、花椒地,草地和合歡林地人為干擾活動較少,因此土壤質量降幅相對較低。

圖3 不同土地利用方式下土壤全氮含量分異特征

圖4 不同土地利用方式下土壤全磷分異特征

圖5 不同土地利用方式下土壤堿解氮分異特征

圖6 不同土地利用方式下土壤速效磷分異特征

圖7 不同土地利用方式下土壤速效鉀變化

圖8 不同土地利用方式下土壤屬性指數分異特征

3 結論

(1)金沙江干熱河谷地帶天然植被水桐樹林破壞改為其它土地利用方式后,土壤有機質、全氮、全磷和堿解氮含量顯著降低,速效磷和容重沒有顯著變化,速效鉀有一定程度升高,不同利用方式對其影響作用差異不同,但總體來說改造為合歡林和撂荒草地對土壤理化屬性的影響相對較少。

(2)天然水桐樹林改為其它利用方式后,土壤綜合屬性指數呈現不同程度降低,其降幅由小到大依次為草地＞合歡樹林＞甘蔗地＞玉米地＞花椒地＞桑地,人為干擾越嚴重對土壤質量的破壞作用越大,因此減少人為活動,增加該區域土壤物質歸還量是改善土壤質量的重要措施之一。

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